无刷直流电机磁场定向控制(FOC)算法的研究

摘要

无刷直流电机既继承了直流电机良好的调速性能，能够在重负载的情况下，实现均匀、平滑的无级调速，又避免了传统的有刷直流电机进行电刷摩擦换向所导致的电机接触不良、不发电等一系列问题,因此越来越受到人们的关注。通常情况下，无刷直流电机采用方波控制，这种控制方式启动时波动较大，常常会带来很大的噪声，对周围环境影响恶劣。而磁场定向控制(Field Oriented Control,FOC)采用正弦波控制方式，其启动比较平稳，不仅解决了由方波控制带来的噪声问题，而且该控制方式按照某种设定的关系将电机定子电流分解成励磁电流和转矩电流，大大提高了速度控制的精准性。由此，研究无刷直流电机的FOC算法，蕴含重大的技术价值。本文重点研究了基于FOC算法的无刷直流电机控制系统,具体工作总结如下：
　　首先，本文介绍了无刷直流电机的研究现状和发展趋势，并研究了无刷直流电机的结构和工作原理。
　　接着，本文介绍了FOC控制的基本原理以及它的实现形式，详细阐述了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)算法，并对其进行了理论分析和推理。为了扩大无刷直流电机的调速范围，本文还在系统当中添加了电压外环弱磁控制算法，使电机可以实现基速范围以上的调速。
　　最后，本文采用ST公司的STM32F103RBT6芯片作为控制芯片，并搭建相应的硬件平台，对整个系统进行了调试和测试。测试结果表明，采用FOC控制算法的无刷直流电机运行稳定，同时采用弱磁控制，其调速范围也得到扩大。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 无刷直流电机的发展和现状

1.3 无刷直流电机的发展趋势

1.4 无刷直流电机的应用前景

1.5 论文主要研究内容及组织架构

2 无刷直流电机工作原理及数学模型

2.1 无刷直流电机基本结构

2.2 无刷直流电机工作原理

2.3 无刷直流电机的数学模型

3 磁场定向控制(FOC)技术

3.1 FOC控制的基本原理

3.2 FOC速度控制模式

3.3 坐标变换理论

3.4 空间电压矢量脉冲宽度调制(SVPWM)

3.5 ADC电流采样

4 弱磁控制算法的分析和设计

4.1 无刷直流电机弱磁控制理论

4.2 无刷直流电机弱磁控制算法的设计

4.3 本章小结

5 无刷直流电机控制系统的硬件设计

5.1 总体硬件结构

5.2 控制系统各组成模块电路设计

5.3 控制系统的调试

5.4 本章小结

6 基本性能指标的测试和分析

6.1 测试平台的搭建

6.2 速度环响应带宽的测试

6.3 恢复时间的测试

6.4 速度波动的测试

6.5 本章小结

7 结果及展望

7.1 课题总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间申请的专利